Centrale thermique à flamme : fonctionnement et production

Par Florian Tostivint

Responsable éditorial - énergie

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Une centrale thermique à flamme produit de l'électricité en brûlant des combustibles fossiles comme le charbon, le gaz, le fioul, mais aussi des sources renouvelables comme la biomasse ou des déchets, pour chauffer de l'eau et générer de la vapeur qui actionne une turbine reliée à un alternateur, afin de créer de l'électricité. Ce type de centrale thermique produit plus de la moitié de l'électricité générée dans le monde, mais présente l'inconvénient majeur d'émettre du CO₂ et d'autres gaz à effet de serre.

Principes de fonctionnement

Les centrales thermiques à flamme sont des moyens de production d'électricité utilisant majoritairement des énergies fossiles, mais aussi parfois de la biomasse et des déchets. Concrètement, elles produisent de l'électricité à partir de la vapeur d'eau, produite grâce à la chaleur dégagée par la combustion de gaz naturel, de charbon, de fioul, de bois ou de déchets ; qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

1. La combustion : une grande chaudière brûle le combustible ;
2. La production de vapeur : les combustibles dégagent de la chaleur et chauffent de l'eau circulant dans des tubes tapissant la chaudière, qui se transforme en vapeur ;
3. La production d'électricité : la vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur dans la salle des machines, qui produit un courant électrique, dont la tension est élevée par un transformateur afin de pouvoir être transportée dans les lignes à très haute et haute tension ;
4. Le recyclage : une fois sortie de la turbine, la vapeur peut être transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide. L'eau obtenue est réutilisée et circule de nouveau dans la chaudière pour entamer un nouveau cycle de production d'électricité.

Les différents types de centrales thermiques à flamme

Il existe plusieurs catégories de centrales thermiques à flamme.

• Une centrale classique utilise des combustibles fossiles et fonctionne avec une chaudière à vapeur.
• Une centrale à cycle combiné combine une turbine à gaz et une turbine à vapeur, en utilisant la chaleur des gaz d'échappement de la première pour alimenter la seconde, augmentant ainsi son rendement énergétique.
• Une centrale de cogénération produit simultanément de l’électricité et de la chaleur récupérée, utilisée pour le chauffage ou des processus industriels.

Les différents types de combustibles

Centrale thermique au charbon

Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, particulièrement dans les pays disposant de réserves importantes de charbon, à l'instar de l'Inde, de la Chine, des États-Unis, de la Pologne ou encore de l'Allemagne.

Deux principales techniques de combustion sont utilisées : la combustion de poussière de charbon, où le charbon est broyé en une fine poudre et brûlé à environ 1 400 °C, et la combustion en lit fluidisé, où le charbon concassé est maintenu en suspension par un flux d'air, brûlant à des températures plus basses (850 à 900 °C), permettant une combustion plus complète et moins polluante.

Elles présentent l'avantages d'une production d'électricité stable avec une technologie et une chaine d'approvisionnement éprouvées. Son coût est ainsi relativement bas.

Elles sont également associées à des inconvénients majeurs, principalement en raison de leur impact environnemental significatif : la combustion du charbon émet une grande quantité de dioxyde de carbone (CO₂), contribuant au réchauffement climatique, ainsi que d'autres polluants atmosphériques tels que les oxydes d'azote (NO_X) et le dioxyde de soufre (SO₂), responsables de pluies acides et de problèmes de santé publique.

La production d'énergie est la première source d'émissions de gaz à effet de serre, et le charbon est la source d'énergie la plus émettrice. Si l'usage du charbon baisse dans les pays développés, des centrales ouvrent encore presque chaque semaine dans le monde.

Dans l'Hexagone, le charbon utilisé par les centrales thermiques à flamme n'est plus extrait des mines, mais est issu de l'importation.

Il existait 14 centrales à charbon sur le territoire métropolitain : Bouchain, La Maxe, Blénod, Vitry, Cordemais, Le Havre, Provence, Emile Huchet, Hornaing, Lucy, Vaires-sur-Marne, Loire-sur-Rhône, Penchot, Ronchamp. Toutefois, en janvier 2025, seules deux de ces centrales sont encore exploitées : Cordemais (Loire-Atlantique) et Saint-Avold (Moselle).

Production d'électricité à base de charbon en France (en GWh) - source RTE

Centrale thermique au gaz

Les centrales thermiques au gaz utilisent le gaz naturel comme combustible pour produire la chaleur qui alimente la turbine à vapeur.

Les centrales à gaz sont utilisées en France afin d’assurer la production d’électricité en période de pointe. Par rapport aux autres centrales thermiques à flamme utilisant également un combustible fossile, elles présentent l’avantage d’émettre moins de gaz à effet de serre.

Production d'électricité à base de gaz naturel en France (en GWh) - source RTE

Centrale thermique au fioul

Elle brûle du fioul dans une chaudière pour produire la vapeur.

Production d'électricité à base de fioul en France (en GWh) - source RTE

Centrale thermique à la biomasse

Elles utilisent de la biomasse, ces matières organiques renouvelables comme le bois, les résidus agricoles ou les déchets végétaux pour produire de l'électricité et de la chaleur, en limitant les émissions nettes de CO₂ grâce à l'absorption du carbone par les plantes lors de leur croissance.

Production d'électricité à base de biomasse en France (en GWh) - source RTE

Centrale thermique aux déchets

Elles valorisent les déchets ménagers et industriels non recyclables en les incinérant pour produire de l'électricité et de la chaleur, tout en réduisant le volume des déchets et en récupérant certains matériaux, mais avec des contrôles stricts pour limiter les émissions polluantes.

Production d'électricité à base de déchets en France (en GWh) - source RTE

Consommation en France et dans le monde

Un usage relatif en France, lors des pointes de consommation hivernales

Utilisées massivement dans l'Hexagone entre 1950 et 1980, les centrales thermiques à flamme ne représentent désormais mois de 10% de la production totale d'électricité en France. En 2023, la production électrique française à partir de ses centrales à flamme se répartit avec 30 TWh à partir de gaz (6,1%), 10,4 TWh issus des sources thermiques renouvelables et déchets (2,1%), 1,2 TWh de fioul (0,3%) et 0,8 TWh de charbon (0,2%).

Aujourd'hui, le parc thermique à flamme encadré par le fournisseur historique et producteur d'électricité EDF comprend 28 unités de puissances différentes sur 14 sites.

Dans l'Hexagone, qui a la chance de disposer d'un parc nucléaire et renouvelable importants, les centrales thermiques à flamme sont généralement utilisées pour répondre aux pics de consommation aux heures de pointe ou lors de périodes de froid. Leur mise en route très rapide permet, en effet, de répondre rapidement à une hausse soudaine de la demande. Cette utilisation en mécanisme de capacité, partagée avec les barrages hydroélectriques, explique leur longévité par rapport à des technologies propres, mais encore trop irrégulières.

Source : Bilan électrique RTE 2023 - Graphique : Selectra

Avec les différentes crises du pétrole, la part de la production électrique assurée par des centrales thermiques brûlant du fioul a progressivement diminué partout en Europe au cours de la deuxième partie du siècle dernier. Pour autant, si de nombreux pays comme la France ont choisi de se reposer sur une production nucléaire importante, d'autres ont fait le choix du charbon ou, dans une moindre mesure, de l'hydroélectricité.

Première source de production d'électricité dans le monde

D'un point de vue français, le thermique est une source de production d'électricité mineure, utilisée seulement en hiver pendant les pics de consommation. Pourtant, la France fait figure d'exception.

Ailleurs, ce n'est pas le nucléaire qui produit 70% de l'électricité, mais bien les énergies fossiles, qui alimentent des dizaines de milliers de centrales thermiques à gaz. Cette domination du nucléaire en France rend plus compliquée la transition du fossile au renouvelable.

Reconversion des anciennes centrales thermiques en France

Alors que l'usage des centrales thermiques à flamme pour la production électrique se raréfie dans l'Hexagone, les sites du parc de production thermique français continuent à s'inscrire dans le paysage métropolitain. Le producteur et fournisseur historique EDF a fait le choix de s'engager pour mettre en valeur ce patrimoine industriel et foncier et lui redonner une seconde vie.

EDF consacre ainsi chaque année 50 millions d'euros dans la réhabilitation des sites industriels de son parc thermique. Déconstruction, gestion du patrimoine foncier à long terme, préservation de l'environnement, archivage, recyclage des matériaux, etc. Les activités du centre de post-exploitation d'EDF concernent 30 sites en France métropolitaine, dans 6 zones géographiques (Nord, Île-de-France, Val-de-Seine, Est, Sud-Ouest, Sud-Est).

Risques environnementaux et sanitaires

Les centrales thermiques à flamme sont décriées en raison de leur impact environnemental et sanitaire.

Principale source d'émissions de gaz à effet de serre et de pollution

Les centrales thermiques à flamme sont responsables de près de 40% des émissions mondiales de dioxyde de carbone, principal gaz à effet de serre, selon les données de l'Agence Internationale de l'Énergie (AIE). En 2022, elles ont émis environ 14 gigatonnes de CO₂, principalement en raison de l'utilisation massive du charbon, qui reste le combustible fossile le plus polluant avec des émissions d'environ 2,3 kg de CO₂ par kWh produit. Les centrales au charbon en Chine et en Inde génèrent à elles seules plus de 70% des émissions de CO₂ liées à l'électricité dans ces pays. 

À cela s'ajoutent les émissions significatives d'oxydes d'azote (NO_X) et de dioxyde de soufre (SO₂), responsables de pluies acides et de problèmes respiratoires, ainsi que des particules fines, particulièrement nuisibles pour la santé publique. Selon l'Environnemental Protection Agency (EPA), elles représentent 28 % du nickel, 62 % de l'arsenic, 77 % des acides, 50 % du mercure et 22 % du chrome présents dans les masses d'air américaines.

Dans certains pays, l'usage de l'énergie thermique à flamme pose même un véritable cas de conscience environnemental. Tel est le cas de l'Allemagne où, après la catastrophe de Fukushima, le gouvernement fédéral décide la fermeture de 8 centrales nucléaires et la sortie progressive du nucléaire. Une décision soutenue par une majorité d'Allemands, mais qui a impliqué un recours massif aux énergies fossiles afin de compenser la baisse de la part de l'énergie nucléaire dans le mix énergétique. En raison d'un parc renouvelable encore insuffisant pour couvrir l'ensemble des besoins en électricité, le recours au charbon a, en effet, explosé outre-Rhin depuis 2011, augmentant aussi les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES). Un paradoxe aujourd'hui décrié par de nombreuses associations de protection de l'environnement.

Les efforts pour limiter les émissions

Les centrales thermiques à flamme ont mis en œuvre plusieurs efforts pour limiter leurs émissions polluantes. Parmi les technologies employées, les systèmes de dépollution comme les filtres à particules et les dispositifs de désulfuration réduisent les émissions de particules fines, de dioxyde de soufre et d'oxydes d'azote.

La capture et le stockage de CO₂ (CCS) est une autre solution clé, permettant de capter le dioxyde de carbone directement à la sortie des cheminées pour le stocker dans des formations géologiques ou le réutiliser dans des processus industriels.

Certaines centrales se reconvertissent également à la biomasse, en remplaçant les combustibles fossiles par des matières organiques renouvelables, ce qui réduit l'empreinte carbone nette.

Enfin, les centrales mettent en place des systèmes d'amélioration de leur efficacité énergétique, comme les cycles combinés ou la cogénération, pour optimiser l'utilisation de l'énergie et limiter les émissions par kilowattheure produit.

Risques industriels

Les centrales thermiques à flamme présentent des inconvénients et peuvent être à l'origine d'incidents graves. Leur fonctionnement va de pair avec des risques industriels certains.

En France, il n'y a pas eu d'incidents majeurs liés à une centrale thermique à flamme. Ce n'est pas le cas en Australie où la centrale d'Hazelwood a été à l'origine d'un incendie de 45 jours en 2014. La ville de Morwell a ainsi été plongée dans la fumée pendant plusieurs semaines, poussant les experts à comparer la crise de 2014 à l'incident du Smog de Londres de 1952, qui a à l'époque causé la mort prématurée d'au moins 4 000 individus.